Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Исследование возможностей и разрешающей способности метода анализа средних фенотипических значений поколений по Мазеру-Джинксу

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Соколова, Татьяна Ивановна, Луганск



Луганский сельскохозяйственный институт

СОКОЛОВА ТАТЬЯНА ИВАНОВНА

УДК 575.1:578.087.1

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МЕТОДА АНАЛИЗА СРЕДНИХ ФЕНОТИПИЧЕСКИХ ЗНАЧЕНИЙ ПОКОЛЕНИЙ

ПО МАЗЕРУ-ДЖИНКСУ

Специальность: 03.00.15 - генетика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: Драгавцев Виктор Александрович

доктор биологических наук, член-корреспондент РАСХН и РАЕН, профессор

Луганск 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

Раздел 1

Обзор литературы 14

Раздел 2

Материал и методы исследований 29

Раздел 3

Главные направления селекции растений и метод анализа средних поколений по Мазеру-Джинксу 37

Раздел 4

Исследование возможностей методов Мазера-Джинкса при имитационном моделировании 46

Раздел 5

Экспериментальная проверка методов анализа средних фенотипических значений. Моногибридное скрещивание. 59

5.1. Генетический подход 59

5.2. Феноменологический подход 65

5.3. Биометрический подход 70 Раздел 6

Экспериментальная проверка методов анализа средних фенотипических значений. Дигибридное скрещивание. 80

6.1. Генетический подход 80

6.2. Феноменологический подход 91

6.3. Биометрический подход 94 Раздел 7

Экспериментальная проверка методов анализа средних фенотипических значений. Тригибридное скрещивание. 102

7.1. Генетический подход 102

7.2. Феноменологический подход 116

7.3. Биометрический подход 118

Выводы 125

Список использованных источников 127

Приложение 150

ШЕДьНИЕ

Современная генетика достигла больших успехов в изучении закономерностей наследования качественных или альтернативных признаков. Однако успехи ее в изучении наследования количественных признаков несравненно более скромны. Отсутствие проверенных, универсальных и надежных методов - основная причина отставания генетики количественных признаков.

Фенотип по качественным признакам чаще всего однозначно определяется генотипом; изменение среды в широком диапазоне не изменяют фенотип. При проведении генетического (менделевского) анализа качественных признаков обычно имеет место ситуация, когда для всех особей одного генотипа характерен одинаковый фенотип. В результате не представляет труда подразделение расщепляющихся поколений на фенотипические классы, установление отношений расщепления и менделевское описание наследования с использованием привычного анализа частот встречаемости фенотипов и генотипов Е1].

При изучении наследования количественных признаков дело обстоит сложнее. В то время как в качественной генетике фенотип -это некое словесное описание признака, в количественной он представлен определенным числом. Со времен Иоганнсена В. 121 известно, что фенотипические значения признаков особей гомозиготных чистых линий, имеющих один и тот же генотип., из-за варьирования средовых факторов различаются. Оценкой фенотипа в этой ситуации может служить ■ среднее арифметическое значение признака совокупности особей одного генотипа или, как его часто называют, среднее фенотипичес-кое. Понятно, что именно среднее фенотипнческое и является показателем действия генотипа в целом в условиях конкретного опыта.

то есть аналогом понятия "фенотипи генетики количественных признаков .

При повторении эксперимента в других условиях будет получена иная., подчас сильно отличающаяся величина среднего значения. Это понятно: другая среда в повторном опыте - иной и фенотип. Итак, в в качественной генетике фенотип - некое словесное описание» в количественной генетике - среднее значение признака в совокупности особей одного и того же .конкретного генотипа. При изучении качественных признаков фенотип оценивается на одной особи., при исследовании количественных - на совокупности особей одного генотипа.

Любая средняя арифметическая имеет свою ошибку., зависящую от уровня изменчивости признака (дисперсии) и объема выборки. Определение фенотипических значении с определенной ошибкой создает дополнительные трудности при решении вопроса о правомочности объединения различных генотипов в один фенотипический класс (класс расщепления). В один фенотипический класс при анализе наследования качественных признаков объединяются генотипы с одинаковым фенотипом. При генетическом анализе количественных признаков приходится довольствоваться тем, что в один класс объединяются генотипы со сходными фенотйпическйми значениями. Это неизбежно, потому что даже средние последовательных выборок из одной к той же генеральной совокупности обычно несколько различаются. Возможность объединения проверяется с использованием статистических критериев различия. В общем, в один класс расщепления объединяют генотипы с близкими., достоверно не отличающимися фенотипическими значениями.

Для многих количественных признаков характерна средняя и сильная паратипическая (средовая, модификационная) изменчивость. Из-за трансгрессии вариационные кривые расщепляющихся поколений

Г4

- ь -

обычно не обнаруживают четкой дву- или многовершинности. В результате, распределение особей расщепляющихся популяций по фено-типическим классам оказывается невозможным. В такой ситуации нельзя установить отношения расщепления и, следовательно, интерпретировать количественное наследование в терминах и понятиях мен-делевской генетики. Менделевский анализ легко применим, к сожалению, лишь в двух случаях: 1) когда признаки, с одной стороны, показывают четкое менделевское расщепление, не затушеванное большими модификациями, а с другой - относятся все-таки к количественным, 2) когда исследуется наследование плейотропных количественных эффектов маркеров (сигналей), то есть генов с четким качественным проявлением [3,43.

В современном менделевском анализе количественных признаков используется не только тот математический аппарат, который применял Мендель Г. [1]. Для проверки гипотез о расщеплении в том или ином соотношении используется критерий х,2 , метод <р Фишера; для решения вопроса о правомерности объединения генотипов с близкими значениями средних в один фенотипический класс - t-критерий Отъ-юдента и дисперсионный анализ. Применяются и другие, менее привычные и более сложные математико-статистические методы. Возможно, в подобной ситуации будет более правильным говорить не об использовании классического менделевского метода, а менделевского подхода. При атом менделевским считается такой подход, при котором формализуются любым уместным в конкретной задаче аппаратом менделевские правила наследования [4].

Трудности, нередко возникавшие при попытках описания наследования в рамках менделевского подхода, стимулировали разработку иных методов. Имеющиеся методы Гинзбург Э.Х. [51 условно подразделил на три подхода: феноменологический, биометрический и гене-

тический. Недавно обоснован новый, эколого-генетический подход к описанию количественных признаков [6-8]. Феноменологический подход не включает в себя никаких знаний о генетике признака: генетический целиком основан на методах формальной генетики. Биометрический подход можно рассматривать как промежуточный между феноменологическим и генетическим. Он основан на в определенной степени упрощенных генетических знаниях, идее о системах полигенов, детерминирующих количественные генотипические различия Е5]. Важную роль в разработке биометрического подхода сыграли работы Мазера К. и Джинкса Д., обобщенные в нескольких изданиях книги "Bi-ometrlcal Genetics" [9-11]. Последнее издание известно и в переводе на русский язык [12]. В этой книге подчеркивается, что есть "главные" гены, ответственные за отчетливо проявляющиеся качественные различия, и принципиально отличающиеся от них полигены, обусловливающие, главным образом,, количественные различия.

Показатель наследуемости в узком смысле слова (h^) в биометрическом подходе играет основную роль при описании наследования признака. По замыслу сторонников этого подхода, он является мерой эффективности массового отбора по фенотипическим значениям признака и используется при прогнозировании результатов отбора.

Ведущие генетики к идеям и методам Мазера К. отнеслись сдержанно. В известных вузовских учебниках шестидесятых годов США и СССР о них вообще не упоминается £13-153. В учебнике шведского ученого Мюнцига А. им уделено чуть больше страницы [16,17]. Причем подчеркивается, что между генами, оказывающими ясно выраженные качественные эффекты, и полигенами, оказывающими лишь небольшие количественные влияния, существуют непрерывные переходы. Кроме того, один и тот же ген может в одном отношении оказывать ясное качественное действие, но в то же время обладать плейотропным

действием количественного характера. Следовательно, пишет Мюцинг А., термин "полиген" не означает ничего принципиально нового. Это всего лишь новое название для старого представления о полимерном, или множественном, гене.

Известный специалист по количественной генетике Фолконер Д., книга которого переведена на русский язык, подчеркивает, что хороших доказательств наличия генов двух типов, имеющих различные свойства, по существу нет [183. В 1983 году, после опубликования третьего издания "В1оте1г1са1 бепет^сз", известный генетик Гер-шензон С.М. в своей книге "Основы современной генетики" тоже не упоминает работы Мазера К. и Джинкса Д. [193. Правда, в ней рекомендуется использование Ь)'\ но лишь тогда, когда неприменим мен-д елев ский подход.

Вследствие большого числа ограничений известных методов определения коэффициента наследуемости, а также по ряду других причин его использование в селекции растений не дало сколько-нибудь существенных положительных результатов. Начиная с семидесятых годов, этот подход все чаще критикуется генетиками, а селекционеры высказывают неудовлетворенность им (см., например, [203).

Определенным этапом в дискуссии по поводу методов биометрического подхода явились работы Гинзбурга Э.Х. [3-53, в которых этот подход подвергнут основательной и жесткой критике [213. Вот некоторые, возможно излишне эмоциональные, выводы Гинзбурга Э.Х.: "В биометрическом подходе реализуется не генетика, а псевдогенетика" [43; "Анализ методов биометрического подхода показал, что отказ от разработки и использования этих методов не обедняет возможности селекционеров, поскольку статистическая аппроксимация дает более точное описание количественных признаков" [53; при исследовании биометрического подхода обнаружилась "невозможность

однозначной интерпретации результатов, несостоятельность подхода, бесперспективность разработок в его рамках" С5].

Правда, критика Гинзбурга Э.Х. касалась методов, основанных на использований статистик не первого, а более высоких порядков. Возможности и разрешающая способность основанных на статистиках первого порядка методов, описанных в главах 4 и 5 известной книги Мазера К. и Джинкса Д. [123, специально не изучались. А необходимость в таком исследовании есть, поскольку зти методы используются.

Анализ средних значений по Мазеру-Джинксу известен в двух вариантах; анализ средних значений генотипов и анализ средних значений поколений. При анализе средних значений поколений (обычно Р1, ?2, Рь р£» В-1 и Вг) индивидуализация генных эффектов не осуществляется, а оценивается в целом аддитивный эффект генов (параметр МЗ), эффект доминирования ШЗ и иногда эффекты взаимодействия (113, 133, [13).

Методы анализа средних значений поколений имеют несколько привлекательных особенностей. Во-первых, процедуры вычисления генетических параметров при использовании статистик первого порядка в сравнении с таковыми, основанными на статистиках более высоких порядков, относительно просты и статистически более надежны [123. Во-вторых, они хорошо вписываются в обычные схемы селекционного процесса у самоопылителей, поскольку предполагают знание лишь средних ряда поколений и их выборочных ошибок. В третьих, значения генетических параметров этими методами получают уже в перед тем как начинаются селекционные отборы и когда имеется потребность в знании генетической системы признака. Разумеется, все эти преимущества будут мало чего стоить, если при проверке окажется, что мазеровские методы анализа средних значений поколений

имеют малые возможности и низкую разрешающую способность.

Подчеркнем в этой связи, что числовые примеры, приводимые Мазером К. и Джинксом Д. [123, не могут служить доказательством надежности и точности предлагаемых ими методов. В частности, для иллюстрации использования метода анализа средних значений поколений приводятся результаты скрещивания сортов томата. Делаются выводы об отсутствии в одних гибридных комбинациях и наличии в других взаимодействия генов, но судить о том, насколько выводы соответствуют действительности, невозможно. Невозможно потому, что другими методами или результатами селекции они не подтверждены.

Объективную оценку методов анализа средних значений по Мазеру- Джинксу можно получить путем имитационного (числового) моделирования и в эксперименте. В последнем случае должны использоваться такие скрещивания, которые позволяют параллельно с методами Мазера-Джинкса применить иные, надежные методы и, прежде всего, менделевский. Сравнение выводов, полученных методами Мазе-ра-Джинкса и при менделевском анализе, а также с результатами селекции дает возможность не впасть в ошибку при оценке возможностей и разрешающей способности методов Мазера-Джинкса. Специальной проверке методов анализа средних фенотипических значений поколений по Мазеру-Джинксу и посвящена эта работа.

С помощью имитационного моделирования изучали возможности биометрического подхода при моно- и дигибридном скрещиваниях. В эксперименте на лабораторном объекте арабидопсисе (Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.) исследовали moho- (по признаку "количество листьев в розетке"), ди~ и тригибридное (по признаку "высота стебля") скрещивания. Разумеется, изучавшиеся нами случаи не являются моделями систем полигенов. Однако, представления о системах полигенов к методам Мазера-Джинкса прямого отношения не име-

ют. Считая свои методы универсальными. Мазер К. и Джинкс Д. предлагали их использовать и при описании наследования признаков, определяемых главными генами Е121. Проверяя биометрический подход, мы исходили из того, что если он окажется хуже генетического и феноменологического в сравнительно простых ситуациях, то ожидать другого для более сложных случаев нет никаких оснований.

Актуальность темы

Методы анализа средних значений поколений по Мазеру-Джинксу хорошо вписываются в обычные схемы селекционного процесса у самоопылителей, но они не подвергались корректной проверке на моделях и в экспериментах. Применение непроверенных методов грозит получением ошибочных выводов, поэтому необходимо специальное обстоятельное изучение возможностей и разрешающей способности анализа средних фенотипических значений поколений.

Связь работы с научными программами, планами, темами

Работа связана с темами: М6/92-Г "Изучение биологических и физиолого-биохимических основ селекции донника с целью повышения эффективности селекционного процесса'5 и N10 "Исследование возможностей и разрешающей способности анализа средних значений методами биометрической генетики (методы Мазера-Джинкса и другие)".

Цель и задачи исследования

целью исследования является выяснение возможностей и разрешающей способности анализа средних значений признака поколений по Мазеру-Джинксу.

В соответствии с этим решались следующие задачи:

- при имитационном (числовом) моделировании оценить возможности исследуемых методов;

- установить степень надежности и точности методов анализа средних поколений по Мазеру-Джинксу в сравнении с другими метода-

МИ;

- решить вопрос о применимости методов Мазера-Джинкса для получения необходимой селекционерам информации.

Научная новизна полученных результатов

Показано, что анализ Р±, ?2, ?г, ?г, В1 и В2 по Мазеру- Джинксу не позволяет отличить модели с принципиально различной генетикой признака (наши модели 1 и 4). В модели 1 имитируются моногенные различия, генотипическое сверхдоминирование и связанный с ним гетерозис; в модели 4 - дигенные различия, генотипическое полное доминирование по обоим генам, гетерозис, обусловленный объединением в в гетерозиготном состоянии эффектов доминантных плюс-аллелей обоих генов. Сделано заключение о равноценности параметра ЕсО и простой разности средних родителей с1=Р1-Р2 для суждения о наличии аддитивных эффектов генов, однако выводы на основе как СсЛ, так и с! не всегда надежны. Доказано, что проверка гипотез о фенотипическом сверхдоминировании, полном и неполном доминировании с помощью СЫ-СсЛ менее надежна, чем обычные статистические сравнения средних Р-ь к при проверке гипотезы о проме�